王 池 黎昌源 王元文

（中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213）

0 引言

河道管一般包括河道沉管和架空管。河底沉管法是沉管技術(shù)的發(fā)展和延伸，采用河道管鋼管在岸上一次焊接成型，將其在岸邊搭設(shè)管道輸送平臺(tái)，在輸送平臺(tái)上焊接成型，通過卷?yè)P(yáng)機(jī)拉力將其拖動(dòng)在河道水平面上，利用卷?yè)P(yáng)機(jī)和輸送平臺(tái)配合輸送就位，然后灌水下沉，直至鋼管沉放至設(shè)計(jì)底板高程為止，鋼管安放后進(jìn)行回填施工，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的跨河管道采取的架空橫跨河道或修建斷水圍堰的施工工藝，由于河底沉管及輸送平臺(tái)施工技術(shù)具有施工安全、周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在城市供排水管道跨河施工中應(yīng)用廣泛。盡管河底沉管施工技術(shù)較為成熟，但由于河底沉管安裝好后是長(zhǎng)期沉入河底的，維修比較困難，對(duì)沉入河底的管道的焊接質(zhì)量以及安裝過程中控制鋼管撓度要求較高。對(duì)于直徑較大、跨河長(zhǎng)度較大的河底沉管，普遍具有重量大等特點(diǎn)，且航道內(nèi)不具備大型運(yùn)輸船舶進(jìn)入施工作業(yè)區(qū)，亟需解決河底沉管運(yùn)輸至河道內(nèi)的技術(shù)難題。另外由于河底沉管采用整體深入河底安裝工藝，如何保證鋼管安裝過程中撓度變形、就位后軸線和高程滿足設(shè)計(jì)要求以及保證下落過程中各吊點(diǎn)的平衡等，另外受沉管大小、水流速度、沉入深度、氣候條件等不同因素影響，在實(shí)際應(yīng)用中河底沉管安裝定位、急流深河道管槽開挖回填和沉管安裝仍存在很多難點(diǎn)，需研究一種能夠保證河底沉管快速安裝、控制鋼管形變的方式，并配備相應(yīng)的輔助設(shè)備工裝，確保河底沉管的安全快速安裝。急流深河道河道管快速安裝施技術(shù)就能克服傳統(tǒng)安裝方法導(dǎo)致的不足和困難。本文結(jié)合馬來西亞美里二期供水項(xiàng)目過河段沉管工程對(duì)就急流深河道河道管快速安裝施技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用分析。

1 工程概況

馬來西亞美里二期供水項(xiàng)目過河段沉管主要是穿越Karap和Bakong河道的2條沉管安裝，其中Karap河道段沉管樁號(hào)為DK7+755.13～DK8+045.37，全長(zhǎng)290.248m；Bakong河道段沉管樁號(hào)為DK15+133.88～DK15+309.69，全長(zhǎng)175.81m。河底管道鋪設(shè)均采用直徑1200mm MSPUL雙管鋪設(shè)，兩管中心間距為2.75m，預(yù)埋河底2m以下。河底沉管直徑較大，距離較長(zhǎng)，每根沉管為10m，鋼管壁厚15mm，重量為12t，沉管外側(cè)有75mm混凝土包裹，包裹混凝土厚度要根據(jù)調(diào)試設(shè)計(jì)水壓力計(jì)算數(shù)據(jù)取得，河底地質(zhì)、河水位、河水流速及施工環(huán)境，溝槽的開挖及回填，設(shè)備的起吊安裝，吊裝運(yùn)輸，沉管開挖面積較大，開挖完成后整體河寬約260m，移動(dòng)平臺(tái)的搭設(shè)及管道在推拉過程中容易變形，且管頭容易制動(dòng)等均屬于該工程的施工難點(diǎn)。由于Karap河航道區(qū)域水流速度較大，最大流速可達(dá)3m/s，水下沉管下水時(shí)最大接觸面積1140m2，對(duì)水下沉管在下水期間推力較大，河道管槽開挖深度約3.5m，開挖坡度為1∶3，開挖工程量巨大，開挖過程中急流對(duì)開挖作業(yè)面有嚴(yán)重影響作用，該河流寬度約50m，重型設(shè)備船舶無法運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，這些都是河底管道開挖回填安裝面臨的施工難題。

2 急流深河道河道管快速安裝施工工藝

針對(duì)該過河段沉管工程面臨的困難，公司決定采用急流深河道河道管快速安裝施工技術(shù)。

2.1 工藝流程

施工準(zhǔn)備→河底管道設(shè)計(jì)生產(chǎn)→河底管道輸送裝置基礎(chǔ)混凝土施工→輸送裝置施工安裝→河底管道接縫處施工步驟→河底管道固定系統(tǒng)施工→河底管道懸浮控制系統(tǒng)施工→河底斜管道安裝系統(tǒng)施工→卷?yè)P(yáng)機(jī)及地錨系統(tǒng)施工→河底管道拉力受力裝置施工→河底管道流水線作業(yè)→注水下沉→河底沉管安裝完成→測(cè)量復(fù)測(cè)→水壓試驗(yàn)→管道溝槽回填→河道管河岸邊場(chǎng)地平整恢復(fù)。

2.2 河底溝槽開挖回填施工工藝

首先河道區(qū)管槽開挖采用GPS定位、GPS-RTK測(cè)量技術(shù)進(jìn)行水下原始地形測(cè)量及分析，建立水下三維開挖模型和立邊坡開挖數(shù)學(xué)模型。采用“長(zhǎng)臂挖機(jī)+抓斗式挖泥沙船”聯(lián)合開挖施工，長(zhǎng)臂挖機(jī)負(fù)責(zé)淺水區(qū)，抓斗式挖泥船負(fù)責(zé)深水區(qū)域。采用“分層開挖法”，開挖坡比為1∶3，階梯深度1m，確保邊坡開挖比例及安全，見圖1。設(shè)置溝槽開挖中心導(dǎo)向標(biāo)，并基于GPS定位及測(cè)量技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，及時(shí)調(diào)整分層開挖順序，實(shí)現(xiàn)急流中河底沉管水下溝槽開挖尺寸精確控制。采用“井點(diǎn)降水法”減少沼澤區(qū)域地下含水量，合理布置垂直排水管和土工布，改善開挖易塌落、回淤的情況。斷面開挖采用“分層開挖法”，采用機(jī)械+人工的聯(lián)合作業(yè)方式清表。利用超聲波深度檢測(cè)儀進(jìn)行溝槽頂面高程控制?；靥顣r(shí)要順?biāo)鞣较蚧靥?，勤測(cè)水深，勤測(cè)量對(duì)標(biāo)，潛水員下水檢測(cè)回填回淤情況[1]。

圖1 河底溝槽開挖示意圖

2.3 河道管快速安裝施工工藝

集沉管對(duì)裝、焊接及運(yùn)輸為一體的分離式運(yùn)輸裝置分別設(shè)置組裝區(qū)、焊接區(qū)及檢查區(qū)，該裝置基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土制作平臺(tái)，按照河底管道安裝弧度或曲率采用鋼板及H型鋼作為立柱，立柱的高低可以控制河道管運(yùn)行的弧度，以實(shí)現(xiàn)坡度與沉管在河道溝槽內(nèi)坡度一致，管道中心與安裝中心線一致?；⌒喂艿垒斔桶惭b裝置屬于河底管道及大型壓力鋼管現(xiàn)場(chǎng)輸送安裝技術(shù)領(lǐng)域，底座上固定連接有兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的受力支座，兩個(gè)受力支座之間固定連接有若干塊橫向加強(qiáng)板，橫向加強(qiáng)板與受力支座之間垂直連接，受力支座均固定連接有兩塊縱向加強(qiáng)支撐，兩個(gè)受力支座的相對(duì)面對(duì)稱開設(shè)有卡槽，兩個(gè)卡槽之間旋轉(zhuǎn)連接有滾軸，滾軸的兩端固定連接有滾輪，滾輪為梯形圓柱體，滾輪的斜邊到滾輪水平中線的距離從底座中心向另一側(cè)逐漸增大。河道管輸送安裝裝置具有弧形軌跡或具有坡度的管道輸送、安裝可有效降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、施工更加方便、可有效保護(hù)受力裝置、人員受傷的安全風(fēng)險(xiǎn)也可大幅降低。河道管在河岸邊操作平臺(tái)上采用20T倒鏈，Ф25mm的鋼絲繩牽引雙管，通過倒鏈的松緊控制雙管在支架上面的位移，防止沉管在組裝過程中下滑，見圖2。管道內(nèi)部借助安全繩進(jìn)行防腐焊接，施工過程中要加強(qiáng)通風(fēng)[2]。

圖2 管道下滑牽引裝置系統(tǒng)立面圖

河道管在岸邊輸送平臺(tái)上組裝、驗(yàn)收、試驗(yàn)完成后采用200T卷?yè)P(yáng)機(jī)，Ф71mm單根鋼絲繩為河底雙管提供拉力；在已換填沼澤地區(qū)域采用4根Ф500mm，12m長(zhǎng)鋼管樁作為受力基礎(chǔ)，采用6m×5m×1m（長(zhǎng)×寬×高）鋼筋混凝土作為卷?yè)P(yáng)機(jī)平臺(tái)。卷?yè)P(yáng)機(jī)布置在河對(duì)岸，其中心與管道中心一致。河道雙管采用U型堵頭連接，實(shí)現(xiàn)沉管封堵，堵頭中心設(shè)置拉環(huán)、吊耳，同時(shí)河面上布置吊船用于輔助起吊U型頭；將Ф71mm鋼絲繩與堵頭中心位置連接，見圖3，在卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引過程中，吊船起吊堵頭，卷?yè)P(yáng)機(jī)緩慢拉動(dòng)，使得管道沿溝槽緩慢前進(jìn)。沉管堵頭上設(shè)置導(dǎo)向標(biāo)，隨時(shí)檢測(cè)沉管運(yùn)行軌跡；每移動(dòng)5m，采用GPS技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，保證管道精確定位?；谏鲜鲅b置和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)急流深河道河道管快速安裝技術(shù)的應(yīng)用，即：在分離式運(yùn)輸裝置上進(jìn)行管道的對(duì)接、焊接和焊口填充，形成流水線作業(yè)；采用起吊船吊裝堵頭，卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引裝置拉動(dòng)管道在管道溝槽中緩慢前進(jìn)，并輔以GPS測(cè)量檢測(cè)，以此實(shí)現(xiàn)河道管快速安裝技術(shù)的應(yīng)用[3]。

圖3 卷?yè)P(yáng)機(jī)與地錨連接布置圖

2.4 急流深河道河道管施工裝置安裝

河底沉管在水下受重力、浮力、牽引力、拉力以及水流方向的推力，受力復(fù)雜，平衡控制難度大。河底沉管在水下受力復(fù)雜，且推拉力較大，施工過程中沉管撓度變形控制難度大。河道水流速度大，不能保證河底沉管在復(fù)雜受力條件下精準(zhǔn)定位。針對(duì)河底管道安裝、現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度要求，項(xiàng)目部技術(shù)人員通過認(rèn)真梳理施工流程、施工方式等，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件及施工要求研發(fā)了河底管道輸送裝置[4]。

河底管道對(duì)裝、焊接及運(yùn)輸為一體的分離式運(yùn)輸系統(tǒng)是提供河底管道輸送安裝固定的裝置，是對(duì)河底管道在急流中固定安裝和精確輸送，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、方便、安全地運(yùn)輸、快速安裝的裝置，是對(duì)具有弧形軌跡或坡度的管道同時(shí)輸送、安裝。輸送裝置采用12個(gè)支座按照5.48∶100的坡比（該坡比的確定是由河底管道的中心線運(yùn)行曲率決定），間距為6m布置，支座頂部高程3.5m，支墩按照設(shè)計(jì)圖紙位置及頂部高程施工，支座采用4.5m×1.5m×0.3m鋼筋混凝土作為支座平臺(tái)，混凝土內(nèi)置Ф12mm鋼筋4層間排距為200mm的螺紋鋼筋。支座基礎(chǔ)采用長(zhǎng)12m，250mm×250mm方樁作為基礎(chǔ)，每個(gè)基礎(chǔ)6個(gè)樁點(diǎn)。輸送裝置包括：底座、受力支座、橫向加強(qiáng)板、縱向加強(qiáng)支撐、滾輪、滾軸、同心加強(qiáng)軸承、卡槽、混凝土平臺(tái)。底座上固定連接有兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的受力支座，兩個(gè)受力支座之間固定連接有若干塊橫向加強(qiáng)板，橫向加強(qiáng)板與受力支座之間垂直連接，每塊受力支座均固定連接有兩塊縱向加強(qiáng)支撐，兩個(gè)受力支座的相對(duì)面對(duì)稱開設(shè)有卡槽，兩個(gè)卡槽之間旋轉(zhuǎn)連接有滾軸，滾軸的兩端固定連接有滾輪，滾輪為梯形圓柱體，滾輪的斜邊到滾輪水平中線的距離從底座中心向另一側(cè)逐漸增大。

對(duì)稱焊接于底座寬度方向上的兩個(gè)受力支座，以及旋轉(zhuǎn)連接于兩個(gè)受力支座之間帶有滾輪的滾軸，使用過程中，將具有弧形軌跡或具有坡度的管道放置于滾輪上，滾輪連同滾軸繞受力支座的卡槽轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)水平或斜坡面管道的輸送，不再采用焊接吊耳掛手拉葫蘆，將受力裝置懸空，用手拉葫蘆作為主要倒運(yùn)操作機(jī)構(gòu)，降低了操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，施工更加安全，更加方便保護(hù)受力裝置，人員受傷的安全風(fēng)險(xiǎn)會(huì)大幅降低，尤其是對(duì)具有弧形軌跡或具有坡度的管道的安裝及其輸送過程效果最為明顯。底座是運(yùn)輸安裝裝置的基礎(chǔ)平臺(tái)，其作用是支撐受力支座并增大受力支座的接觸面積，保證受力支座的穩(wěn)定性。當(dāng)受力支座重量較大時(shí)，可在底座下部澆筑混凝土平臺(tái)，在混凝土平臺(tái)上預(yù)埋螺栓，通過螺栓螺母將底座與混凝土平臺(tái)進(jìn)行連接。底座是由鋼板或型鋼加工而成的長(zhǎng)方體框架結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)方形兩個(gè)對(duì)稱短邊布置兩個(gè)受力支座，主要用于弧形受力物體的支撐，即受力支座布置于底座的寬度方向。受力支座與底座之間焊接牢固。受力支座由厚鋼板機(jī)械加工而成，其寬度與底座的寬度相當(dāng)，高度可根據(jù)弧形受力物體安裝高度進(jìn)行確定，主要用于支撐弧形受力物體。

滾軸與受力支座上開設(shè)的卡槽旋轉(zhuǎn)連接可以保證滾軸能夠繞卡槽進(jìn)行自由轉(zhuǎn)動(dòng)，從而在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中帶動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過滾軸與滾輪的共同作用達(dá)到水平或斜坡面管道的輸送、安裝。滾軸是由鋼材制作而成的實(shí)心圓柱體，與受力支座卡槽連接旋轉(zhuǎn)，與滾輪共同作用，從而達(dá)到水平或斜坡面管道的輸送。斜坡面輸送坡度比較大時(shí)可增加防滑裝置，河底沉管在河岸邊操作平臺(tái)上采用倒鏈、鋼絲繩牽引管道。如防滑裝置采用倒鏈在操作平臺(tái)處牽引，通過倒鏈的松緊控制雙管在支架上面的位移，防止沉管在組裝過程中下滑?？ú鄣脑O(shè)計(jì)尺寸應(yīng)嚴(yán)格按照滾軸的尺寸略大設(shè)計(jì)，以保證滾軸能夠在卡槽內(nèi)進(jìn)行自由轉(zhuǎn)動(dòng)。滾軸的兩端進(jìn)入卡槽后與軸承連接，從而減少滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)過程中與卡槽之間的摩擦，避免摩擦損耗，延長(zhǎng)受力支座與滾軸的使用壽命。滾輪的大小可根據(jù)實(shí)際使用需求進(jìn)行相應(yīng)的選擇。

滾輪是由鋼材制作而成的實(shí)心圓柱體，滾輪設(shè)計(jì)成梯形圓柱體，與弧形受力物體接觸，用于輸送及固定弧形物體。滾輪與滾軸之間通過同心加強(qiáng)軸承焊接牢固，同心加強(qiáng)軸承焊接于滾軸與滾輪相連接的部位。橫向加強(qiáng)板由鋼板加工制作而成，橫向加強(qiáng)板與受力支座成90°對(duì)接，并將對(duì)接縫施焊固定，橫向加強(qiáng)板主要用于連接加強(qiáng)受力支座，增加受力支座的抗彎扭矩力。受力支座均固定連接有兩塊縱向加強(qiáng)支撐，縱向加強(qiáng)支撐設(shè)置于兩塊受力支座的相背側(cè)。兩塊縱向加強(qiáng)支撐分別位于受力支座中心軸線的左右兩側(cè)，兩塊縱向加強(qiáng)支撐距離中心軸線100mm。縱向加強(qiáng)支撐是由鋼板制作，用于加強(qiáng)受力支座豎向受力，保護(hù)受力支座的安全穩(wěn)定，位于受力支座的后方；通過焊接與受力支座相連接，位于受力支座中心軸線左右兩側(cè)，距離中心軸線100mm，主要防止設(shè)備在輸送過程中受力支座的橫向應(yīng)力，從而達(dá)到受力支座的安全穩(wěn)定，從而能夠穩(wěn)固地支撐滾軸、滾輪及弧形受力物體?？v向加強(qiáng)支撐與受力支座中心軸之間的距離為100mm，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，在80～120mm范圍內(nèi)均可。滾輪上包裹有防滑塑性材料，滾輪在安裝前可包裹防滑塑性材料，如防水面料等，目的是為了減少滾輪與管道之間的接觸，防止被輸送的弧形管道外壁刮傷或損壞。

河底管道對(duì)裝、焊接及運(yùn)輸為一體的分離式運(yùn)輸系統(tǒng)是河底管道能快速施工安裝的關(guān)鍵，該系統(tǒng)共計(jì)12個(gè)支撐設(shè)置三個(gè)區(qū)進(jìn)行河底管道安裝，從而形成流水線作業(yè)。能在最短的時(shí)間內(nèi)完成河底管道的施工。三個(gè)區(qū)分別為：管道對(duì)接區(qū)、焊接區(qū)、射線檢測(cè)區(qū)。管道對(duì)接區(qū)主要用于管道的對(duì)接，對(duì)接必須緊密，對(duì)接可通過電焊將兩條管連接成整體；焊接區(qū)設(shè)置主要用于管道之間的焊接，該區(qū)必須設(shè)置防雨防曬棚，焊接區(qū)主要用于管道連接縫之間的焊接，焊接完成后，將進(jìn)行管道焊縫檢測(cè)；射線檢測(cè)區(qū)主要用于管道焊縫的檢測(cè)，每條焊縫必須進(jìn)行射線RT檢測(cè)，檢測(cè)合格后才可進(jìn)行下一道工序。檢測(cè)合格后要進(jìn)行兩條管道接縫處外包混凝土的施工，首先對(duì)兩條管道連接區(qū)域進(jìn)行清理打磨，焊縫區(qū)域進(jìn)行打磨處理，處理完成后進(jìn)行塑性材料的包裹，塑性材料包裹完成后進(jìn)行鋼筋網(wǎng)片包裹，外包模板安裝，進(jìn)行速凝外包混凝土澆筑[5]。

3 結(jié)束語

急流深河道河道管快速安裝施工技術(shù)在馬來西亞美里二期供水項(xiàng)目過河段沉管工程中表現(xiàn)出施工工藝簡(jiǎn)便、安全系數(shù)高、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。河道管輸送裝置的研發(fā)使得河底管道在安裝運(yùn)輸期間施工更加安全，河底溝槽開挖步驟及施工工藝控制能夠有效防止溝槽垮塌，從而使開挖的安全風(fēng)險(xiǎn)大幅降低，河道管能快速安全地安裝定位，結(jié)合技術(shù)規(guī)范對(duì)沉管實(shí)現(xiàn)高精度控制技術(shù)、實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)人工操作向機(jī)械化、自動(dòng)化的轉(zhuǎn)型，該方法簡(jiǎn)單、節(jié)約成本、安裝安全、定位準(zhǔn)確。實(shí)踐證明，急流深河道河道管快速安裝施工技術(shù)有效克服了傳統(tǒng)技術(shù)中的種種缺點(diǎn)，減少施工時(shí)間，合理管理和節(jié)省建造成本費(fèi)用，在工程造價(jià)方面也有著突出優(yōu)勢(shì)。